微惯性技术发展现状与未来趋势课件

传感器信号处理执行器MEMS简介

微机电系统的尺寸

在微小尺寸范围内，机械依其特征尺寸可以划分为1-10毫米的小型(Mini-)机械，1微米一1毫米的微型机械以及1纳米一1微米的机械。所谓微型机械从广义上包含了微小型和纳米机械，但并非单纯微小化，而是指可批量制作的集微型机构、微型传感器、微型执行器以及接口信号处理和控制电路、通讯和电源等于一体的微电子机械系统(Micro-ElectronicMechanicalSystem-MEMS)或称为微机电系统。MEMS的特点微惯性器件类别微机电加速度计微陀螺仪微加速度计、微陀螺仪外观

悬臂梁式加速度微传感器结构图硅梁结构图硅梁结构图2.电容式加速度微传感器三轴式电容式加速度微传感器3.谐振式加速度传感器4.隧道式加速度微传感器5.伺服式加速度微传感器微机电加速度计应用1.倾斜测量和调平系统2.惯性导航和制导系统3.医疗器械4.安全防撞系统5.提高电梯车辆舒适性4.安全防撞系统

传感器分辨率灵敏度要求较高，保证适时发出气囊充气的指令。MEMS在汽车中的应用提高电梯车辆舒适性

提供安全与舒适的转向架监控和诊断系统，改进乘客舒适度的高速列车倾斜控制系统，磁悬浮列车的位置监控，提供安全与维护的精准列车定位和铁路轨道监控系统。

1、

微机械陀螺仪基本概念微机械陀螺特点微机械陀螺分类基本概念及组成1.1基本概念及组成陀螺仪也称角速率传感器，是用来测量物体旋转快慢的传感器。微机械陀螺仪(MEMSgyroscope)主要有转子式、振动式微机械陀螺仪和微机械加速度计陀螺仪三种。由于工艺限制，在硅衬底上加工出可高速旋转的转子并不容易，因此转子式的微机械陀螺并不常见，而振动式和微加速度计式的微陀螺基本原理一致，都是利用柯氏效应。目前，微机械陀螺基本都是振动式的，因此本文将着重对这类陀螺进行介绍。振动式微机械陀螺主要由支撑框架、谐振质量块，以及激励和测量单元几个部分构成。1.2微机械陀螺特点优点：

1.体积小、重量轻、功耗低。

2.成本低，加工工艺可保证大规模生产。

3.可靠性好，工作寿命超过10万小时，能承受数千甚至上万g的冲击。4.测量范围大，一些MEMS陀螺仪测量范围可高达数千°/s缺点：

目前，各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低，漂移较大。1.2微机械陀螺特点优点：

1.体积小、重量轻、功耗低。

2.成本低，加工工艺可保证大规模生产。

3.可靠性好，工作寿命超过10万小时，能承受数千甚至上万g的冲击。4.测量范围大，一些MEMS陀螺仪测量范围可高达数千°/s缺点：

目前，各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低，漂移较大。1.3微机械陀螺分类微机械陀螺分类按振动结构按材料按加工方式旋转振动结构线性振动结构振动盘结构陀螺旋转盘结构陀螺正交线振动结构非正交线振动结构振动平板结构振动梁结构振动音叉结构加速度计振动结构振动平板结构振动梁结构振动音叉结构单晶硅多晶硅石英其它硅材料非硅材料体微机械加工表面微机械加工LIGA(光刻、电铸和注塑)表面工艺制作的微结构体硅工艺制作的微结构返回1.3微机械陀螺分类微机械陀螺分类按驱动方式按检测方式压电式静电式电磁式压电检测电容检测压阻式检测光学检测隧道效应检测按工作模式速率陀螺速率积分陀螺闭环模式开环模式整角模式压电驱动静电驱动电容检测电磁驱动压阻检测隧道效应检测4、微机械陀螺发展概述微机械陀螺以体积小、成本低、抗过载能力强等优势，可应用于导航、制导、汽车、电子玩具等领域，成为世界各国研究的热点。微机械陀螺国内外研究现状国外：如美国Draper实验室、ADI公司、Berkeley大学，德国DaimlerBenz公司、Bosch公司，日本Toyota公司，以及土耳其、芬兰等国家，已有商业化产品。国内：有北京大学、清华大学、复旦大学、哈尔滨工业大学、中科院上海微系统所、中北大学等，都对陀螺进行了深入的研究，取得了一定的成果，但无商业化产品，处于研究阶段。德国Bosch公司芬兰赫尔辛基工业大学土耳其安卡拉中东科技大学日本MurataMfg.Co美国Michigan大学返回单位结构特点检测机理灵敏度/分辨率噪声/漂移美国Michigan大学振动环式电容检测25Hz带宽下分辨率0.5

/s7.2

/h日本MurataMfg.Co独立梁式电容驱动电容检测25Hz带宽下分辨率0.07

/s/土耳其安卡拉中东科技大学电容驱动3mm×3mm电容检测真空24mV/º/s大气100μV/º/s/芬兰赫尔辛基工业大学框架式角振动电容检测信噪比51.6dB德国Bosch公司双质量块电磁驱动电容检测18mV/

/s量程为100º/s国外微机械陀螺的特点与性能指标北京大学、清华大学、复旦大学，中科院上海微系统所返回单位结构特点检测机理灵敏度噪声/漂移北大谐振式电容检测22mv/°/s清华角振动电容检测1.9mV/°/s/复旦双质量块电容驱动压阻检测电桥输出0.22μV/°/s/中科院双质量块电磁驱动电容检测9.8mV/°/s中北大学谐振式电容检测0.7mV/°/s国内微机械陀螺的特点与性能指标从国内外发展现状来看，微机械陀螺的特点总结如下：1、机械结构：圆环、独立梁、框架、双质量块